JP3850163B2 - Multilayer piezoelectric actuator and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP3850163B2 JP5026299A JP5026299A JP3850163B2 JP 3850163 B2 JP3850163 B2 JP 3850163B2 JP 5026299 A JP5026299 A JP 5026299A JP 5026299 A JP5026299 A JP 5026299A JP 3850163 B2 JP3850163 B2 JP 3850163B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型圧電アクチュエータに係わり、例えば、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子、自動車用エンジンの燃料噴射用の駆動素子等に使用される積層型圧電アクチュエータに関するものである。
【0002】
【従来技術】
従来、圧電板は、電圧を印加することにより伸縮する逆圧電効果を有している。しかしながら、圧電板1枚1枚の伸縮量は微量であることから、圧電板を複数枚積層して形成した積層型圧電アクチュエータを作製していた。
【0003】
この積層型圧電アクチュエータは、圧電板に電圧を印加して数〜数十μm伸長させ、アクチュエータの駆動力源とするものである。公知例としては特公平7−40613号公報などがある。
【0004】
このような積層型圧電アクチュエータでは、例えば、圧電板の両表面に、電気導電性を有するペーストを印刷や蒸着等の方法で数μmの厚さの導電性接着層を形成し、この導電性接着層の間に金属薄板を介在させ、加熱圧着し、一体化させた構造からなる。
【0005】
このような積層型圧電アクチュエータとして、例えば、特開昭60−121784号公報によれば、両面にAg粉末とガラス粉末との混合ペーストを印刷し焼き付け処理して形成された導電性接着層を形成した圧電板を、導電性接着層間に金属薄板を配置した状態で複数積層し、金属薄板に形成された接続用突起を圧電板の外周面に対して所定の空隙を残すように軸方向に折り曲げ、同一極性の接続用突起同士を重なり合わせてスポット溶接等で接合した積層型圧電アクチュエータが開示されている。
【0006】
また、実公昭60−3589号公報では、金属薄板が連結部材で連結された半田付けが不要なリボン状の金属板が配線部材として開示されており、そうしたリボン状金属板を利用した積層型圧電アクチュエータが多数提案されている(特開昭60−103685号公報、特開昭61−276278号公報、特公平4−16029号公報、特開平7−283455号公報等参照)。
【0007】
近年、積層型圧電アクチュエータは大きな変位量を確保した状態で、積層型圧電アクチュエータの特徴である高応答性を利用するため、高い電圧を高周波数で印加し駆動を行っている。また、より小型化を促進すべくより薄い圧電板が用いられるようになっている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公平7−40613号公報に示された圧電板の両表面に導電性接着層を形成し、この導電性接着層を介して圧電板と金属薄板を熱圧着する積層型圧電アクチュエータでは、圧電板と金属薄板とを積層する際に、金属薄板を圧電板表面の導電性接着層と金属薄板が位置ずれを起こし、そのために、高電圧及び高周波数による駆動を行った時に積層方向への変位に伴なう径方向への伸縮動作により圧電板と金属薄板の接合部に発生する応力が不均一となり、圧電板上の導電接着層と金属薄板の位置ずれ部に高い応力が発生し、駆動時に圧電板に亀裂が発生し、アクチュエータの信頼性を低下させるという問題があった。
【0009】
また、積層型圧電アクチュエータを高荷重を印加した状態で装置へ組み込む場合、導電性接着層と金属薄板の位置ずれ部に、荷重による応力集中が発生し、圧電板へのクラックの発生を促進させていた。
【0010】
更に、同一極性の接続用突起同士を重なり合わせてハンダ等で接合した特開昭59−218784号公報の積層型圧電アクチュエータや、ハンダ等で接合する必要がないリボン状金属板を使用した特開平7−283455号公報等の積層型圧電アクチュエータでは、金属薄板としてヤング率の低い金属を使用した場合、接続用突起やリボン状金属板の連結部が変形しやすく、変位動作によって変形した接続用突起や連結部に応力集中が発生し、疲労断線を起こしたり、同一極性の接続用突起同士を重なり合わせてスポット溶接で接合した積層型圧電アクチュエータでは、高変位に伴なう高応力により接合部が疲労し、剥離断線を起こし易いという問題があった。
【0011】
しかも、特開昭60−121784号のAgとガラスからなる導電性接着層をを介して接合した場合、熱圧着時にガラス成分が優先的に圧電体の磁器粒界に拡散するため、圧電磁器の電気特性や耐久性を劣化させていた。
【0012】
これらを解決する手段として、金属薄板と圧電板を圧着させないで積層型圧電アクチュエータを作製する方法が特公平7−118554号公報に開示されている。これによると、金属薄板としてステンレス等の比較的硬い材料を用い、この金属薄板の両面にこの金属薄板より軟質な銅、銀、アルミニウム等の電極材料をメッキ等の方法で形成することにより、積層後に、電極薄板に形成された軟質な電極と圧電板との接触により、圧電板の電極として機能し、圧電板への電圧印加が可能となる。
【0013】
しかしながら、このような積層型圧電アクチュエータでは、圧電板と金属薄板が実質的に接合されておらず、積層の状態を維持するのが困難であった。このため、この構造の積層型圧電アクチュエータは、積層後直ちに、ケースへの封入等を行わなければならず、また、プロセスにおけるハンドリングも非常に困難であった。
【0014】
従って、本発明は、圧電板と金属薄板同士を確実に接続できるとともに、圧電板の亀裂の発生を防止した信頼性の高い積層型圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題に対して検討を重ねた結果、複数個の圧電板と複数個の金属薄板とを交互に積層して形成された積層型圧電アクチュエータにおいて、前記金属薄板の表面に実質的にガラスを含まないAg金属層が被覆形成されてなるとともに、前記Ag金属層を前記セラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入させることにより前記セラミック圧電板と前記金属薄板とを前記Ag金属層を介して接合一体化してなることを特徴とするものである。
【0016】
また、かかる積層型圧電アクチュエータを製造するための方法としては、複数個のセラミック圧電板と、両面に実質的にガラスを含まないAg金属層が形成された金属薄板を交互に積層した後、700〜2000kgfの荷重を印加しながら400〜700℃の温度で加熱し、前記Ag金属層を前記セラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入することにより、前記セラミック圧電板と前記金属薄板とを前記Ag金属層を介して接合一体化させたことを特徴とするものである。
【0017】
なお、上記構成において、前記金属薄板はNi−Feを主成分とする合金からなることが望ましく、また、前記Ag金属層の厚みは1μm以上であることが望ましい。
【0018】
【作用】
本発明の積層型圧電アクチュエータによれば、複数個のセラミック圧電板と、両面にAg金属層が形成された金属薄板を交互に積層した後、700〜2000kgfの荷重を印加しながら400〜700℃の温度で加熱することによって、図4のセラミック圧電板とAg金属層との接合界面の模式図に示すように、金属薄板の両面に被覆されたAg金属層がセラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入されることにより、セラミック圧電板は、Ag金属層を介して金属薄板と強固に接合一体化されることになり、積層型圧電アクチュエータはプロセスでのハンドリングに十分耐えうる接合強度を得ることができる。セラミック圧電板への導電性接着層の形成を行わないためプロセスを簡素化できる。
【0019】
また、圧電板側に導電性接着層を形成することがないために、前述したような積層時に発生していた導電性接着層と金属薄板の位置ずれの問題がなくなり、高荷重印加による装置への組み込みや、あるいは高電圧及び高周波数での駆動による導電性接着層と金属薄板の位置ズレ部への応力集中を緩和することができる。このため、応力集中に伴ない発生していた圧電板における亀裂の発生を抑制することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の積層型圧電アクチュエータは、図1の概略図を示すように、複数個のセラミック圧電板1と複数個の金属薄板2とが交互に積層された基本構造からなる。
【0021】
セラミック圧電板1は、一般に、Pb(ZrTi)O3 (以下、PZTと略す)を主成分とするセラミックスが使用されるが、これに限定されるものではなく、圧電性を有するセラミックスであれば何でも良い。この圧電板1を構成する圧電材料としては、圧電歪み定数d33が高いものが望ましい。特に、金属成分としてPb、Zr、Ti以外に、Zn、Sb、Ni、Te、SrおよびBaのうち少なくとも一種を含む複合ペロブスカイト型化合物からなる圧電磁器組成物が望ましい。
【0022】
このセラミック圧電板1の厚みtは、小型化および高い電圧を印加するという点から0.2〜0.6mmであることが望ましい。
【0023】
金属薄板2は、円板状の正極用金属薄板2aと負極用金属薄板2bからなり、これらの金属薄板2aと2bも交互に積層されている。また、図3の金属薄板の接続構造に示すように、金属薄板2は、その極性ごとにそれぞれ連結部材3(3a、3b)によって連結されることによって直列的に接続されている。そして、直列に接続された金属薄板2は、図1および図2に示すように、圧電板1積層体の径方向に突出した連結部3が折曲されており、正電極用と負電極用とでその露出場所が異なるように設定されている。また、金属薄板2としては、異なる極性の金属薄板2との短絡や放電を防止するために、圧電板1の外周面に露出しないように、圧電板1よりも小さいことが望ましい。
【0024】
本発明の積層型圧電アクチュエータにおいては、上記アクチュエータ構造において、少なくとも金属薄板2の両面に、実質的にガラスを含まないAg金属層4が被着形成されていることが大きな特徴である。そして、図4の金属薄板2とセラミック圧電板1との接合部の模式図に示すように、このAg金属層4をセラミック圧電板1表面の結晶粒子1a間の間隙に圧入させることによりセラミック圧電板1と金属薄板2とをAg金属層4を介して強固に接合一体化することができる。
【0025】
金属薄板2としては、例えば、ステンレスやNi−Feを主成分とする合金箔を用いる。特に、Ni−Feを主成分とする合金は、高い導電性を有し、さらには、圧電板の熱膨張係数に近いコバール(52Fe−31Ni−17Co、42アロイ(58Fe−42Ni)等の金属が最も好ましい。この金属薄板2の厚さは、変位量に寄与しないためにできるだけ薄いものがよく、特に20〜50μmのものが好ましい。
【0026】
金属薄板2の両面に被覆されるAg金属層4の厚みは、1μm未満では、Ag金属層4のセラミック圧電板1表面への接触が不十分となりやすいために接合強度が低くなる場合がある。また、20μmよりも大きくなると、このAg金属層4がアクチュエータの変位を阻害する場合があるため、このAg金属層の厚さは1〜20μm、特に2〜15μmのものが好ましい。
【0027】
本発明における上記Ag金属層4は、一般には、メッキ法や蒸着法によって金属薄板の表面に被覆するか、または金属薄板を2枚のAg箔で挟み同時に圧延したクラッド材を用いることもできる。
【0028】
また、本発明によれば、前記Ag金属層4は、金属薄板2の両面に被着形成するとともに、金属薄板2を接続する連結部材3の表面に形成されていてもよい。その場合には、加熱圧着時に400〜600℃で熱処理する際の連結部材3の酸化を抑制し、強度の低下を防止することができる。
【0029】
また、セラミック圧電板1と金属薄板2との積層体の最上面および最下面には、図1に示したように、圧電的に不活性で機械的エネルギーを伝達する不活性体5がガラスなどの接着剤によって最上面に位置する金属薄板2に対して接合されている。
【0030】
上記の本発明の積層型圧電アクチュエータは以下の方法によって作製される。まず、セラミック圧電板1は、例えば、Pb(ZrTi)O3 (以下、PZTと略す)を主成分とする圧電組成物を各圧電板1形状に成形した後、1100〜1300℃の温度で焼成することによって作製される。
【0031】
一方、金属薄板2は、所定の金属からなる金属板を打ち抜き加工などによって図3に示したような所定の形状に作製される。その後、この金属薄板2の表面に前述したようにメッキ法、蒸着法によってAg金属層を被覆するか、またはクラッド材を用いる。
【0032】
そして、上記のようにして作製したセラミック圧電板1と表面にAg金属層4が被着形成された正極用および負極用の金属薄板2とを図1および図2に示したように、金属薄板2の連結部4が一層おきに同じ位置にくるように、金属薄板2をセラミック圧電板1間に交互に挟み込んで積層した後、上部よりに荷重を印加して、熱圧着させる。
【0033】
この時の荷重としては700〜2000kgf、特に700〜1000kgfであることが重要であり、後述する実施例からも明らかなように、700kgfよりも荷重が小さいと、セラミック圧電板と金属薄板との強固が接合が得られず、1000kgfを超えると、強固な接合は得られるものの、セラミック圧電板が割れるなどの問題が発生する。
【0034】
さらに、この時の温度は、400〜700℃、特に450〜650℃が適当である。これは、温度が400℃よりも低いと、良好な接合強度が得られず、700℃よりも高いと、金属薄板の強度が低下し、金属薄板の取り出し電極の信頼性が低下するためである。
【0035】
上記のような条件で熱圧着することにより、Ag金属層の延性によって、図4に示したようにセラミック圧電板1の表面の結晶粒子間に圧入させることができる結果、セラミック圧電板1と金属薄板2同士を確実に接続できる。
【0036】
また、積層体の最上面および最下面に設置される不活性体5は、上記のセラミック圧電板と金属薄板との接合一体化処理と同時、あるいはその後に、ホウケイ酸鉛系ガラスなどによって400〜600℃で焼き付け処理して積層体の上下に不活性体5を積層一体化する。
【0037】
上記のようにして積層一体化された積層型圧電アクチュエータは、セラミック圧電板1および連結部材3の外周面を、絶縁性シリコン樹脂6などによって被覆し、また、セラミック圧電板1の相互間および圧電板2外周部と連結部4との間の空隙にも同様に絶縁性シリコン樹脂6を隙間が発生しないように充填する。
【0038】
このような樹脂の充填方法としては、粘度等の条件を調整し、真空脱法など減圧下で空隙内に絶縁性シリコン樹脂を充填すればよい。また、絶縁性シリコン樹脂6は弾性率の低い材料を充填することが望ましい。
【0039】
【実施例】
実施例1
PZT系圧電セラミックスの両面を研磨して、直径20mm、厚み0.3mmの円板状のセラミック圧電板1を作製した。
【0040】
厚さ30μmのコバールからなる金属板を打ち抜き加工して、図3に示したような直径19mmの円形からなる金属薄板を幅2mm、長さ2mmの連結部で50枚連結した金属部材を作製した。そして、この金属部材の両面に厚さ5μmのAgメッキ層5を形成した。
【0041】
そして、上記の金属部材のうち、円形の金属薄板をセラミック圧電板の間に順次挟み込み、99層の圧電板の各圧電板間に、正極用金属薄板と負極用金属薄板とを交互に積層して積層体を形成した。
【0042】
また、不活性体として、セラミック圧電体と同様のPZT系セラミックスを用いて、この両面を研磨して、直径20mm、厚み5mmの円柱状の不活性体を形成した。これらの不活性体の片面にホウケイ酸鉛系ガラスのガラスペーストを10μmの厚みになるように印刷した後、100℃にて乾燥し、500℃で焼き付けた。
【0043】
上記のようにして作製した積層体を位置ずれが生じないように軽く圧力を加えた状態で、上部から1000kgfの荷重をプレス機にて印加し、500℃、1時間で加圧接着した。
【0044】
その後、上記積層体を絶縁性シリコンゴムで全体を被覆し、これを80℃のシリコンオイル中で3kv/mmの直流電圧を30分間印加して分極処理を行ない、本発明の積層型圧電アクチュエータを作製した。
【0045】
また、セラミック圧電板の両面に、Ag粉末97重量%、PbO−SiO2 −B2 3 を主成分とするガラス3重量%の導電性ペーストを10μmの厚みになるように印刷した後、100℃にて乾燥し、500℃で焼き付けて導電性接着層を形成したセラミック圧電板を作製した。そして、このセラミック圧電板とコバールからなる金属薄板3とを積層し500℃で1時間熱圧着する以外は、上記と全く同様にして比較用の圧電アクチュエータを作製した。
【0046】
得られた4種類の積層型圧電アクチュエータについて、セラミック圧電体と金属薄板との接合状態を走査型電子顕微鏡によって観察した結果、本発明品は、Agメッキ層がセラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入しており強固に接合していることを確認した。
【0047】
次に、各試料の耐久性を比較するために、印加荷重440kgf下で発生変位量が50μmになるように各積層型圧電アクチュエータに印加する設定電圧を求め、印加荷重440kgf、印加電圧0Vから設定電圧を50Hzの周波数にて1×109 回印加する耐久試験を行った。尚、変位量の測定は、試料を防振台上に固定し、試料上面にアルミニウム箔を張り付けて、レーザー変位計により、素子の中心部及び周囲部3箇所で測定した値の平均値で評価した。
【0048】
さらに、各アクチュエータにおける層構成について、1個の圧電体を一対の金属薄板で挟み込み、その金属薄板間に電圧を印加して金属薄板間でスパークが発生する時の電圧を耐電圧として測定した。
【0049】
その結果、本発明品は1×109 回でも問題なく駆動するのを確認した。また、耐電圧も15KV/mmと高い値を示した。さらに金属薄板と圧電板との接合界面を観察した結果、Ag金属層が圧電体表面の結晶粒子間に圧入されており、強固に接合されていることを確認した。
【0050】
一方、比較品のガラスを含有する導電性接着層を介してコバールからなる金属薄板と熱圧着した積層型圧電アクチュエータでは、2×108 回にて駆動が停止した。また、耐電圧は11KV/mmと本発明品よりも低いものであった。なお、このアクチュエータの金属薄板と圧電体との界面を観察した結果、ガラス成分の拡散が観察された。また、このアクチュエータの破損部を観察した結果、圧電体に形成した導電性接着層間でスパークしているのを確認した。さらに、破損部位近傍の断面観察を行った結果、金属薄板と圧電板との接合界面における最外周部を起点に圧電板に亀裂が生じているのが確認された。また、この現象は、破損部位だけではなく、ほとんどの圧電板に見られた。
【0051】
実施例2
実施例1の本発明品を作製する際の熱圧着時の印加荷重とセラミック圧電板と金属薄板との接合強度との関係を図5に示した。なお、この試験においては、直径14mm、厚さ0.5mmのセラミック圧電板と直径12mm、厚さ30μmのコバールからなる金属薄板の両面に厚み5μmのAgメッキ層を施したものを交互に70枚積層し、各荷重にて熱圧着させた後、下部スパン30mmの3点曲げを行って求めた。その結果を図4の印加荷重と接合強度の関係に示す。
【0052】
図5の結果から明らかなように、700kgf以上でセラミック圧電板とほぼ等しい35MPaの接合強度が得られているのが分かる。そして、印加荷重1000kgf以上でほぼ接合強度が飽和している。但し、2000kgfを超える印加荷重では、セラミック圧電板2における金属薄板3の外周部に応力が集中し圧電板にマイクロクラック発生するのを確認した。
【0053】
従って、熱圧着時の印加荷重は700〜2000kgf、特に700〜2000kgfがよいことがわかる。
【0054】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、両面にAg金属層を被覆した金属薄板とセラミック圧電板とを交互に積層した後、700〜2000kgfの荷重を印加しながら熱圧着することにより、Ag金属層をセラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入させることによって前記セラミック圧電板と前記金属薄板とを前記Ag金属層を介して接合一体化することができるために、積層型圧電アクチュエータは、プロセスでのハンドリングに十分耐えうる接合強度を得ることができる。また、圧電板への導電性接着層の形成が必要ないため、プロセスを簡素化できる。
【0055】
また、セラミック圧電板に導電性接着層を形成しないために、積層時に発生していた導電性接着層と金属薄板が位置ずれがなくなり、装置への組み込みを行う場合の高荷重印加に伴なう導電性接着層と金属薄板の位置ずれ部への応力集中や、高電圧、及び高周波数による駆動を行う場合の積層方向への変位に伴なう径方向への伸縮動作により圧電板と金属薄板の接合部に発生する応力の不均一化を防止できるため、圧電板における亀裂の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の積層型圧電アクチュエータの基本構成の概略図である。
【図2】図1の一部を拡大して示す断面図である。
【図3】金属薄板を連結部材で連結した金属部材を示す平面図である。
【図4】本発明における積層型圧電アクチュエータにおけるセラミック圧電板と金属薄板との接合界面の模式図である。
【図5】積層型圧電アクチュエータの熱圧着時の印加荷重と接合強度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 セラミック圧電板
2 金属薄板
3 連結部材
4 Ag金属層
5 不活性体
6 絶縁性シリコン樹脂
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a multilayer piezoelectric actuator, for example, a multilayer piezoelectric actuator used for a precision positioning device such as an optical device, a driving element for vibration prevention, a driving element for fuel injection of an automobile engine, and the like. is there.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a piezoelectric plate has an inverse piezoelectric effect that expands and contracts when a voltage is applied. However, since the amount of expansion / contraction of each piezoelectric plate is very small, a stacked piezoelectric actuator formed by stacking a plurality of piezoelectric plates has been manufactured.
[0003]
In this laminated piezoelectric actuator, a voltage is applied to a piezoelectric plate and extended by several to several tens of μm, and used as a driving force source for the actuator. Known examples include Japanese Patent Publication No. 7-40613.
[0004]
In such a laminated piezoelectric actuator, for example, a conductive adhesive layer having a thickness of several μm is formed on both surfaces of a piezoelectric plate by a method such as printing or vapor deposition, and this conductive adhesion is performed. It consists of a structure in which a thin metal plate is interposed between the layers and thermocompression bonded and integrated.
[0005]
As such a laminated piezoelectric actuator, for example, according to Japanese Patent Laid-Open No. 60-121784, a conductive adhesive layer formed by printing and baking a mixed paste of Ag powder and glass powder on both sides is formed. A plurality of piezoelectric plates are stacked with a thin metal plate placed between the conductive adhesive layers, and the connection protrusions formed on the thin metal plate are bent in the axial direction so as to leave a predetermined gap with respect to the outer peripheral surface of the piezoelectric plate. In addition, a multilayer piezoelectric actuator in which connecting protrusions having the same polarity are overlapped and joined by spot welding or the like is disclosed.
[0006]
In addition, Japanese Utility Model Publication No. 60-3589 discloses a ribbon-shaped metal plate that does not require soldering, in which thin metal plates are connected by a connecting member, and a laminated piezoelectric material using such a ribbon-shaped metal plate. A large number of actuators have been proposed (see Japanese Patent Laid-Open Nos. 60-10385, 61-276278, 4-16029, and Japanese Patent Laid-Open No. 7-283455).
[0007]
In recent years, a multilayer piezoelectric actuator is driven by applying a high voltage at a high frequency in order to utilize the high response characteristic of the multilayer piezoelectric actuator while securing a large amount of displacement. In addition, a thinner piezoelectric plate is used to promote further miniaturization.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the laminated piezoelectric actuator in which a conductive adhesive layer is formed on both surfaces of the piezoelectric plate disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-40613, and the piezoelectric plate and the metal thin plate are thermocompression bonded through the conductive adhesive layer, When laminating a piezoelectric plate and a thin metal plate, the conductive thin layer on the surface of the piezoelectric plate and the thin metal plate are displaced from each other. Therefore, when driving with a high voltage and a high frequency is performed, Due to the expansion and contraction operation in the radial direction accompanying the displacement, the stress generated at the joint between the piezoelectric plate and the metal thin plate becomes non-uniform, and high stress is generated at the misalignment portion between the conductive adhesive layer on the piezoelectric plate and the metal thin plate, There was a problem that a crack occurred in the piezoelectric plate during driving, and the reliability of the actuator was lowered.
[0009]
In addition, when a multilayer piezoelectric actuator is installed in a device with a high load applied, stress concentration due to the load occurs at the misaligned portion of the conductive adhesive layer and the metal thin plate, promoting the occurrence of cracks in the piezoelectric plate. It was.
[0010]
Furthermore, a laminated piezoelectric actuator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-218784 in which connection protrusions of the same polarity are overlapped and joined with solder, or a ribbon-shaped metal plate that does not need to be joined with solder or the like is used. In a laminated piezoelectric actuator such as 7-283455, when a metal with a low Young's modulus is used as the metal thin plate, the connection protrusion and the connecting portion of the ribbon-shaped metal plate are easily deformed, and the connection protrusion is deformed by the displacement operation. In a stacked piezoelectric actuator in which stress concentration occurs at the joints and fatigue breakage occurs, or connection projections of the same polarity are overlapped and joined by spot welding, the joints are damaged due to high stress accompanying high displacement. There was a problem of fatigue and easy breakage.
[0011]
In addition, when bonding is performed through a conductive adhesive layer made of Ag and glass disclosed in JP-A-60-121784, the glass component preferentially diffuses into the ceramic grain boundary of the piezoelectric body during thermocompression bonding. Electrical characteristics and durability were deteriorated.
[0012]
As means for solving these problems, Japanese Patent Publication No. 7-118554 discloses a method of manufacturing a laminated piezoelectric actuator without pressing a metal thin plate and a piezoelectric plate. According to this, a relatively hard material such as stainless steel is used as the metal thin plate, and electrode materials such as copper, silver, and aluminum that are softer than the metal thin plate are formed on both surfaces of the metal thin plate by a method such as plating. Later, when the soft electrode formed on the electrode thin plate and the piezoelectric plate come into contact with each other, the piezoelectric plate functions as an electrode of the piezoelectric plate, and voltage application to the piezoelectric plate becomes possible.
[0013]
However, in such a laminated piezoelectric actuator, the piezoelectric plate and the metal thin plate are not substantially joined, and it is difficult to maintain the laminated state. For this reason, the laminated piezoelectric actuator having this structure has to be sealed in a case immediately after lamination, and handling in the process is very difficult.
[0014]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly reliable stacked piezoelectric actuator that can reliably connect a piezoelectric plate and a thin metal plate and that prevents cracks in the piezoelectric plate.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As a result of repeated studies on the above problems, the present inventors have found that the surface of the metal thin plate is a laminated piezoelectric actuator formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric plates and a plurality of metal thin plates. An Ag metal layer substantially free of glass is coated, and the Ag metal layer is press-fitted between crystal grains on the surface of the ceramic piezoelectric plate, thereby bonding the ceramic piezoelectric plate and the metal thin plate to the Ag. It is characterized by being joined and integrated through a metal layer.
[0016]
In addition, as a method for manufacturing such a multilayer piezoelectric actuator, a plurality of ceramic piezoelectric plates and a metal thin plate having an Ag metal layer substantially free of glass formed on both surfaces are alternately laminated, and then 700 Heating at a temperature of 400 to 700 ° C. while applying a load of ˜2000 kgf, and press-fitting the Ag metal layer between crystal grains on the surface of the ceramic piezoelectric plate, thereby bringing the ceramic piezoelectric plate and the metal thin plate into the Ag It is characterized by being joined and integrated through a metal layer.
[0017]
In the above configuration, the metal thin plate is preferably made of an alloy containing Ni—Fe as a main component, and the thickness of the Ag metal layer is preferably 1 μm or more.
[0018]
[Action]
According to the multilayer piezoelectric actuator of the present invention, after alternately laminating a plurality of ceramic piezoelectric plates and thin metal plates having an Ag metal layer formed on both surfaces, a temperature of 400 to 700 ° C. is applied while applying a load of 700 to 2000 kgf. As shown in the schematic diagram of the bonding interface between the ceramic piezoelectric plate and the Ag metal layer in FIG. 4, the Ag metal layer coated on both surfaces of the thin metal plate is formed between the crystal grains on the surface of the ceramic piezoelectric plate. By being press-fitted into the ceramic piezoelectric plate, the ceramic piezoelectric plate is firmly joined and integrated with the metal thin plate via the Ag metal layer, and the laminated piezoelectric actuator obtains a bonding strength that can sufficiently withstand handling in the process. Can do. Since the conductive adhesive layer is not formed on the ceramic piezoelectric plate, the process can be simplified.
[0019]
In addition, since the conductive adhesive layer is not formed on the piezoelectric plate side, there is no problem of displacement of the conductive adhesive layer and the metal thin plate which has occurred during the above-described lamination, and the device can be applied by applying a high load. The concentration of stress on the misalignment between the conductive adhesive layer and the metal thin plate due to the incorporation of or driving at a high voltage and high frequency can be reduced. For this reason, generation | occurrence | production of the crack in the piezoelectric plate which generate | occur | produced with stress concentration can be suppressed.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The multilayer piezoelectric actuator of the present invention has a basic structure in which a plurality of ceramic piezoelectric plates 1 and a plurality of thin metal plates 2 are alternately stacked, as shown in the schematic diagram of FIG.
[0021]
The ceramic piezoelectric plate 1 is generally made of ceramics mainly composed of Pb (ZrTi) O 3 (hereinafter abbreviated as PZT). However, the ceramic piezoelectric plate 1 is not limited to this and may be any ceramic having piezoelectricity. anything is fine. As the piezoelectric material constituting the piezoelectric plate 1, those piezoelectric strain constant d 33 is high is preferable. In particular, a piezoelectric ceramic composition made of a composite perovskite compound containing at least one of Zn, Sb, Ni, Te, Sr and Ba in addition to Pb, Zr and Ti as a metal component is desirable.
[0022]
The thickness t of the ceramic piezoelectric plate 1 is preferably 0.2 to 0.6 mm from the viewpoint of downsizing and applying a high voltage.
[0023]
The metal thin plate 2 includes a disk-shaped positive electrode metal thin plate 2a and a negative electrode metal thin plate 2b, and these metal thin plates 2a and 2b are alternately laminated. Moreover, as shown in the connection structure of the thin metal plates in FIG. 3, the thin metal plates 2 are connected in series by being connected by connecting members 3 (3a, 3b) for each polarity. As shown in FIGS. 1 and 2, the thin metal plates 2 connected in series are bent at the connecting portions 3 protruding in the radial direction of the piezoelectric plate 1 laminate, for positive electrodes and negative electrodes. And the exposure location is set differently. Further, the metal thin plate 2 is desirably smaller than the piezoelectric plate 1 so as not to be exposed on the outer peripheral surface of the piezoelectric plate 1 in order to prevent a short circuit and discharge with the metal thin plate 2 having different polarities.
[0024]
The multi-layer piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that, in the above actuator structure, an Ag metal layer 4 substantially not containing glass is deposited on at least both surfaces of the metal thin plate 2. Then, as shown in the schematic view of the joint between the metal thin plate 2 and the ceramic piezoelectric plate 1 in FIG. 4, the Ag metal layer 4 is press-fitted into the gap between the crystal grains 1a on the surface of the ceramic piezoelectric plate 1 to thereby produce the ceramic piezoelectric material. The plate 1 and the thin metal plate 2 can be firmly joined and integrated via the Ag metal layer 4.
[0025]
As the metal thin plate 2, for example, an alloy foil mainly composed of stainless steel or Ni—Fe is used. In particular, an alloy containing Ni-Fe as a main component has high conductivity, and further, a metal such as Kovar (52Fe-31Ni-17Co, 42 alloy (58Fe-42Ni)) close to the thermal expansion coefficient of the piezoelectric plate is used. The thickness of the thin metal plate 2 is preferably as thin as possible so as not to contribute to the amount of displacement, and particularly preferably 20 to 50 μm.
[0026]
If the thickness of the Ag metal layer 4 coated on both surfaces of the thin metal plate 2 is less than 1 μm, the contact strength of the Ag metal layer 4 to the surface of the ceramic piezoelectric plate 1 tends to be insufficient, and the bonding strength may be lowered. Further, if the thickness is larger than 20 μm, the Ag metal layer 4 may inhibit the displacement of the actuator. Therefore, the thickness of the Ag metal layer is preferably 1 to 20 μm, particularly preferably 2 to 15 μm.
[0027]
In general, the Ag metal layer 4 in the present invention can be formed by coating the surface of a metal thin plate by a plating method or a vapor deposition method, or by using a clad material obtained by simultaneously rolling a metal thin plate between two Ag foils.
[0028]
According to the present invention, the Ag metal layer 4 may be formed on both surfaces of the thin metal plate 2 and may be formed on the surface of the connecting member 3 that connects the thin metal plate 2. In that case, the oxidation of the connection member 3 at the time of heat treatment at 400 to 600 ° C. at the time of thermocompression bonding can be suppressed, and a decrease in strength can be prevented.
[0029]
Further, as shown in FIG. 1, an inert body 5 that is piezoelectrically inactive and transmits mechanical energy is made of glass or the like on the uppermost surface and the lowermost surface of the laminate of the ceramic piezoelectric plate 1 and the metal thin plate 2. It is joined to the thin metal plate 2 located on the uppermost surface by the adhesive.
[0030]
The multilayer piezoelectric actuator of the present invention is manufactured by the following method. First, the ceramic piezoelectric plate 1 is formed, for example, by forming a piezoelectric composition mainly composed of Pb (ZrTi) O 3 (hereinafter abbreviated as PZT) into the shape of each piezoelectric plate 1 and firing at a temperature of 1100 to 1300 ° C. It is produced by doing.
[0031]
On the other hand, the metal thin plate 2 is produced in a predetermined shape as shown in FIG. 3 by punching a metal plate made of a predetermined metal. Thereafter, the surface of the thin metal plate 2 is coated with an Ag metal layer by plating or vapor deposition as described above, or a clad material is used.
[0032]
Then, as shown in FIGS. 1 and 2, the ceramic piezoelectric plate 1 manufactured as described above and the positive and negative metal thin plates 2 on which the Ag metal layer 4 is deposited are formed as shown in FIGS. After the metal thin plates 2 are alternately sandwiched and laminated between the ceramic piezoelectric plates 1 so that the two connecting portions 4 are in the same position every other layer, a load is applied from above and thermocompression bonded.
[0033]
It is important that the load at this time is 700 to 2000 kgf, particularly 700 to 1000 kgf. As is clear from the examples described later, when the load is smaller than 700 kgf, the ceramic piezoelectric plate and the metal thin plate are firmly fixed. However, if the bonding is not obtained and exceeds 1000 kgf, a strong bonding is obtained, but problems such as cracking of the ceramic piezoelectric plate occur.
[0034]
Furthermore, the temperature at this time is suitably 400 to 700 ° C, particularly 450 to 650 ° C. This is because when the temperature is lower than 400 ° C., good bonding strength cannot be obtained, and when the temperature is higher than 700 ° C., the strength of the metal thin plate is lowered and the reliability of the extraction electrode of the metal thin plate is lowered. .
[0035]
By thermocompression bonding under the above conditions, the ductility of the Ag metal layer allows press-fitting between the crystal grains on the surface of the ceramic piezoelectric plate 1 as shown in FIG. The thin plates 2 can be reliably connected to each other.
[0036]
Further, the inactive body 5 installed on the uppermost surface and the lowermost surface of the laminate is 400 to 400 by a lead borosilicate glass or the like at the same time as or after the joining and integrating process of the ceramic piezoelectric plate and the metal thin plate. The inert body 5 is laminated and integrated on the top and bottom of the laminate by baking at 600 ° C.
[0037]
In the laminated piezoelectric actuator laminated and integrated as described above, the outer peripheral surfaces of the ceramic piezoelectric plate 1 and the connecting member 3 are covered with an insulating silicon resin 6 or the like. Similarly, the gap between the outer peripheral portion of the plate 2 and the connecting portion 4 is filled with the insulating silicon resin 6 so that no gap is generated.
[0038]
As such a resin filling method, it is only necessary to adjust the conditions such as the viscosity and fill the voids with an insulating silicon resin under reduced pressure such as vacuum degassing. The insulating silicon resin 6 is desirably filled with a material having a low elastic modulus.
[0039]
【Example】
Example 1
Both sides of the PZT piezoelectric ceramic were polished to produce a disk-shaped ceramic piezoelectric plate 1 having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.3 mm.
[0040]
A metal plate made of Kovar having a thickness of 30 μm was punched into a metal member in which 50 metal thin plates made of a circle having a diameter of 19 mm as shown in FIG. 3 were connected by a connecting portion having a width of 2 mm and a length of 2 mm. . Then, an Ag plating layer 5 having a thickness of 5 μm was formed on both surfaces of the metal member.
[0041]
Then, among the above metal members, a circular thin metal plate is sequentially sandwiched between ceramic piezoelectric plates, and a positive metal thin plate and a negative metal thin plate are alternately laminated between the piezoelectric layers of the 99 layers of piezoelectric plates. Formed body.
[0042]
In addition, a PZT ceramic similar to the ceramic piezoelectric body was used as the inert body, and both surfaces thereof were polished to form a cylindrical inactive body having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm. A glass paste of lead borosilicate glass was printed on one surface of these inert materials to a thickness of 10 μm, dried at 100 ° C., and baked at 500 ° C.
[0043]
In the state where light pressure was applied to the laminated body produced as described above so as not to cause displacement, a load of 1000 kgf was applied from the top with a press machine and pressure bonded at 500 ° C. for 1 hour.
[0044]
Thereafter, the laminated body is entirely covered with insulating silicon rubber, and this is subjected to a polarization treatment by applying a DC voltage of 3 kv / mm for 30 minutes in silicon oil at 80 ° C. to obtain the laminated piezoelectric actuator of the present invention. Produced.
[0045]
Also, after printing a conductive paste of 97% by weight of Ag powder and 3% by weight of glass mainly composed of PbO—SiO 2 —B 2 O 3 on both surfaces of the ceramic piezoelectric plate so as to have a thickness of 10 μm, 100 A ceramic piezoelectric plate was produced by drying at 500 ° C. and baking at 500 ° C. to form a conductive adhesive layer. Then, a comparative piezoelectric actuator was manufactured in the same manner as described above except that this ceramic piezoelectric plate and the metal thin plate 3 made of Kovar were laminated and thermocompression bonded at 500 ° C. for 1 hour.
[0046]
As a result of observing the bonding state of the ceramic piezoelectric body and the metal thin plate with the scanning electron microscope for the four types of laminated piezoelectric actuators obtained, the product of the present invention has an Ag plating layer between the crystal particles on the surface of the ceramic piezoelectric plate. It was confirmed that it was press-fitted and bonded firmly.
[0047]
Next, in order to compare the durability of each sample, a set voltage to be applied to each stacked piezoelectric actuator is obtained so that the generated displacement is 50 μm under an applied load of 440 kgf, and set from the applied load of 440 kgf and the applied voltage of 0 V. An endurance test was performed in which a voltage was applied 1 × 10 9 times at a frequency of 50 Hz. The displacement is measured by fixing the sample on a vibration isolation table, attaching an aluminum foil to the top of the sample, and evaluating the average value of the values measured at the central part and the peripheral part of the element with a laser displacement meter. did.
[0048]
Further, regarding the layer structure in each actuator, one piezoelectric body was sandwiched between a pair of thin metal plates, and a voltage was applied between the thin metal plates to measure a voltage when a spark was generated between the thin metal plates as a withstand voltage.
[0049]
As a result, it was confirmed that the product of the present invention was driven without problems even at 1 × 10 9 times. Further, the withstand voltage was as high as 15 KV / mm. Furthermore, as a result of observing the bonding interface between the thin metal plate and the piezoelectric plate, it was confirmed that the Ag metal layer was press-fitted between the crystal particles on the surface of the piezoelectric body and was firmly bonded.
[0050]
On the other hand, in the laminated piezoelectric actuator that was thermocompression bonded to the metal thin plate made of Kovar through the conductive adhesive layer containing the comparative glass, the driving was stopped at 2 × 10 8 times. The withstand voltage was 11 KV / mm, which was lower than the product of the present invention. As a result of observing the interface between the thin metal plate and the piezoelectric body of this actuator, diffusion of the glass component was observed. Further, as a result of observing the damaged portion of this actuator, it was confirmed that sparking occurred between the conductive adhesive layers formed on the piezoelectric body. Furthermore, as a result of cross-sectional observation in the vicinity of the damaged part, it was confirmed that the piezoelectric plate was cracked starting from the outermost peripheral portion at the joint interface between the thin metal plate and the piezoelectric plate. This phenomenon was observed not only in the damaged part but also in most piezoelectric plates.
[0051]
Example 2
FIG. 5 shows the relationship between the applied load at the time of thermocompression bonding and the bonding strength between the ceramic piezoelectric plate and the metal thin plate when producing the product of the present invention of Example 1. In this test, 70 sheets of a 14 mm diameter, 0.5 mm thick ceramic piezoelectric plate and a 12 mm diameter, 30 mm thick Kovar metal plate with 5 μm thick Ag plating layer on both sides After laminating and thermocompression bonding with each load, it was determined by three-point bending with a lower span of 30 mm. The result is shown in the relationship between applied load and bonding strength in FIG.
[0052]
As is apparent from the results of FIG. 5, it can be seen that a bonding strength of 35 MPa, which is approximately equal to that of the ceramic piezoelectric plate, is obtained at 700 kgf or more. The bonding strength is almost saturated at an applied load of 1000 kgf or more. However, it was confirmed that, at an applied load exceeding 2000 kgf, stress was concentrated on the outer peripheral portion of the thin metal plate 3 in the ceramic piezoelectric plate 2 and micro cracks were generated in the piezoelectric plate.
[0053]
Therefore, it is understood that the applied load at the time of thermocompression bonding is preferably 700 to 2000 kgf, particularly 700 to 2000 kgf.
[0054]
【The invention's effect】
As described in detail above, in the multilayer piezoelectric actuator of the present invention, after thinly laminating metal thin plates coated with an Ag metal layer on both sides and ceramic piezoelectric plates, thermocompression bonding is performed while applying a load of 700 to 2000 kgf. Thus, the ceramic piezoelectric plate and the metal thin plate can be joined and integrated via the Ag metal layer by press-fitting the Ag metal layer between the crystal grains on the surface of the ceramic piezoelectric plate. Can obtain a bonding strength that can sufficiently withstand handling in the process. Further, since it is not necessary to form a conductive adhesive layer on the piezoelectric plate, the process can be simplified.
[0055]
In addition, since the conductive adhesive layer is not formed on the ceramic piezoelectric plate, the conductive adhesive layer and the metal thin plate that were generated at the time of lamination are not misaligned, resulting in the application of a high load when incorporating into the device. Piezoelectric plates and thin metal plates due to stress concentration at the misalignment between the conductive adhesive layer and the thin metal plate, and radial expansion and contraction in the direction of stacking when driving with high voltage and high frequency Since it is possible to prevent the stress generated at the joints from becoming uneven, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the piezoelectric plate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a basic configuration of a multilayer piezoelectric actuator of the present invention.
2 is an enlarged cross-sectional view of a part of FIG.
FIG. 3 is a plan view showing a metal member in which thin metal plates are connected by a connecting member.
FIG. 4 is a schematic view of a bonding interface between a ceramic piezoelectric plate and a metal thin plate in the multilayer piezoelectric actuator according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between applied load and bonding strength at the time of thermocompression bonding of a multilayer piezoelectric actuator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ceramic piezoelectric plate 2 Metal thin plate 3 Connecting member 4 Ag metal layer 5 Inactive body 6 Insulating silicon resin

Claims (6)

複数個のセラミック圧電板と複数個の金属薄板とを交互に積層して形成された積層型圧電アクチュエータにおいて、前記金属薄板の表面に実質的にガラスを含まないAg金属層を被覆形成するとともに、前記Ag金属層を前記セラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入させることにより前記セラミック圧電板と前記金属薄板とを前記Ag金属層を介して接合一体化してなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。In the laminated piezoelectric actuator formed by alternately laminating a plurality of ceramic piezoelectric plates and a plurality of metal thin plates, an Ag metal layer substantially not containing glass is formed on the surface of the metal thin plate, A multilayer piezoelectric actuator comprising the ceramic piezoelectric plate and the metal thin plate joined and integrated through the Ag metal layer by press-fitting the Ag metal layer between crystal grains on the surface of the ceramic piezoelectric plate. . 前記金属薄板がNi−Feを主成分とする合金からなる請求項1記載の積層型圧電アクチュエータ。The multilayer piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the thin metal plate is made of an alloy containing Ni—Fe as a main component. 前記Ag金属層の厚みが1μm以上である請求項1記載の積層型圧電アクチュエータ。The multilayer piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the Ag metal layer has a thickness of 1 μm or more. 複数個のセラミック圧電板と、両面に実質的にガラスを含まないAg金属層が形成された金属薄板を交互に積層した後、700〜2000kgfの荷重を印加しながら400〜700℃の温度で加熱し、前記Ag金属層を前記セラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入することにより、前記セラミック圧電板と前記金属薄板とを前記Ag金属層を介して接合一体化させたことを特徴とする積層型圧電アクチュエータの製造方法。After alternately laminating a plurality of ceramic piezoelectric plates and thin metal plates with an Ag metal layer substantially free of glass on both sides, heating at a temperature of 400 to 700 ° C. while applying a load of 700 to 2000 kgf The Ag metal layer is press-fitted between crystal grains on the surface of the ceramic piezoelectric plate, whereby the ceramic piezoelectric plate and the metal thin plate are joined and integrated through the Ag metal layer. Method for manufacturing a piezoelectric actuator. 前記金属薄板がNi−Feを主成分とする合金からなる請求項4記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。The method for manufacturing a multilayer piezoelectric actuator according to claim 4, wherein the metal thin plate is made of an alloy containing Ni—Fe as a main component. 前記Ag金属層の厚みが1μm以上である請求項4記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。The method for manufacturing a multilayer piezoelectric actuator according to claim 4, wherein the thickness of the Ag metal layer is 1 μm or more.
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